DE880752C - Waermeaustauscher fuer Gasturbinenanlagen - Google Patents

Waermeaustauscher fuer Gasturbinenanlagen

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Publication number
DE880752C
DE880752C DES9649D DES0009649D DE880752C DE 880752 C DE880752 C DE 880752C DE S9649 D DES9649 D DE S9649D DE S0009649 D DES0009649 D DE S0009649D DE 880752 C DE880752 C DE 880752C
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DE
Germany
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tube sheets
pipes
chambers
arrangement according
flow
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Expired
Application number
DES9649D
Other languages
English (en)
Inventor
Ferdinand Dr Koehler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Application granted granted Critical
Publication of DE880752C publication Critical patent/DE880752C/de
Expired legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F28D7/163Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing

Description

  • Wärmeaustauscher für Gasturbinenanlagen Die Aufgaben, welche die Entwicklung der Gasturbinenanlage stellt, liegen im allgemeinen nicht mehr auf grundsätzlichem Gebiet. Die thermodynamischen und baulichen Grundfragen können vielmehr als gelöst gelten. Wo noch wesentliche Aufgaben zu lösen sind, handelt es sich uni Sonderfragen, die fast alle auf die Beseitigung von Strömungs- und anderen Verlusten hinauslaufen. Denn kaum eine andere Kraftanlage ist in ihrem Wirkungsgrad derart empfindlich gegen Strömungs-und Reibungsverluste wie die Gasturbinenanlage. Das wird insbesondere verständlich, wenn man die großen Luft- und Gasmengen berücksichtigt, die bei verhältnismäßig 'kleinem Gefälle zur Erzielung großer Anlageleistungen umgewälzt werden müssen. Besonders dringlich wird die Verminderung der Strömungsverluste im Wärmeaustauscher, in dem Abwärme eines Gasteiles auf einen anderen Gasteil übertragen werden muß. Ein guter thermischer Wirkungsgrad ist überhaupt nur dann erzielbar, wenn Abwärme, die nicht mehr in mechanische Energie umgesetzt werden bann, über einen Wärmeaustauscher mit Arbeitsmittel, das zur Wärmeaufnahme fähig ist, in den Kreislauf zurückgeführt wird. Dieser Wärmeaustauscher (Rekuperator) gehört damit zu den bedeutungsvollsten Anlageteilers, gleichzeitig aber auch zu den schwierigsten. Das wird klar, wenn man berücksichtigt, daß das wärmeabgebende Mittel entspannt ist, und zwar im allgemeinen bis zu dem niedrigsten im Kreislauf herrschenden Druck, so daß es den Wärmeaustauscher mit geringster Dichte, d. h. größtem spezifischen Volumen durchströmt. Grundsätzlich bestehen zwei Möglichkeiten für den Aufbau derartiger Wärmeaustauscher, nämlich entweder eine Bauform, die man als Kastenbauform bezeichnen -könnte, wobei es zunächst gleichgültigist, ob man innerhalb dieses Kastens die Heizfläche in Form von Platten oder Rohren einbaut, oder-die-Rohrbauform, in der die -Strömungswege- durch. Rohre begrenzt sind. Diese- Rohre- brauchen dabei nicht unbedingt kreisförmigen Querschnitt zu besitzen, sondern können auch abweichend hiervon -geformt sein." Wesentlich ist bei dieser Rohrbauform, da:ß eine Mehrzahl dünner Rohrt von weiteren Rohren umgeben ist, die den Strömungskanal für das eine der beiden in Wärmeaustausch tretende Mittel nach außen begrenzen. Die Zwischenräume, zwischen diesen äußeren Rohren sind abgesperrt, so daß also zwischen diesen äußeren Rohren keine Strömung besteht. Der'Grund für diese Maßnahme liegt darin, daß man auf diese W eise die günstigste Strömungsgeschwindigkeit.des..einen Arbeitsmittels erzielen kann. Der Gesamtquerschnitt .der -Innen- -rohre ist durch den Zustand und d ie zu erwartende Zustandsänderung des darin strömenden Mittels gegeben, ebenso der Gesamtquerschnitt, der :dein außen strömenden Mittel zur Verfügung gestellt werden muß. Beide weichen stark voneinandier äh; so daß. man nur dann zu richtigen Ouerschnittswerten gelangt, wenn man einen 'Teil des äußeren Querschnittes absperrt.
  • Es kommt aber noch eine andere Überlegung hinzu. Bei Rohrwärmeaustauschern dieser Art ergibt es sich gewissermaßen zwangsläufig, daß das eine der beiden inWärmeaustausch tretendenM Mittel im Querstrom zu- und abströmen mwA Es erleidet also sowohl beim Zuströmen wie beim Abströmen eine Ablenkung um go°. Die Bemessung der Zu-und Abströmquerschnitte ist. von.außerordentlieher_ Bedeutung. Nur wenn sie hinreichend groß sind, wird man geringe Verluste erwarten können. Man hat sich zum Teil dadurch zu helfen- versucht, daß man die Zu- und Abströmung unterteilte, so daß ein Teil des Arbeitsmittels von außen nach innen und ein anderer Teil von innen nach außen im Querstrom zu- und abfließt. Das ergibt aber schwierige Bauformen. Sehr günstig ist dagegen die Lösung der Erfindung, die darin besteht, daß jeweils eine Mehrzahl dünner Rohre durch weite Rohre umgeben ist, die in Rohrböden eingewälzt sind, wobei diese Rohrböden die Ouereinströmungs-und =abströmungskammern nach innen begrenzen.
  • Diese Bauform vereinigt zwei bedeutungsvolle Eigenschaften, nämlich sehr gute Ausnutzung des Raumes des Wärmeaustauschers, d. h. geringste Toträume, mit hoher Festigkeit. Gerade dieser letzte Umstand ist dann wertvoll, wenn es sich um Gasturbinenanlagen handelt, bei denen infolge einer entsprechenden Führung des- Verfahrens die Drücke weit über Atmosphärendruck liegen, so daß zur Frage der geringsten Verluste auch noch die Frage der mechanischen Festigkeit hinzutritt.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. i in einem Längsschnitt und in Fig. 2 in einem Querschnitt dargestellt.
  • Das zu erhitzende, unter höheren Druck stehende. Arbeitsmittel tritt durch den Stutzen i in eine Kammer 2 ein und durchströmt die Rohrbündel 3, die in einem Rohrboden ::l eingewalzt sind. - Ein entsprechender Rohrboden`5 ist am Abströmende vorhanden, der die Abströmkammer 6 mit dem AbstrÖmstutzen..7 -abschiieß't. Das wärmeabgebende, unter geringem Druck stehende Mittel strömt durch den Stutzen 8 zu, und zwar im Quferstrom zu den Rohren 3. Zur Begrenzung des Strömungsquer-:schnittes, die erforderlich ist, um eine bestimmt, Strömungsgeschwindigkeit sicherzustellen, dienen Rohreg, die gemäß der Erfindung in Rohrböden io und i,i eingewalzt sind. Diese Rohrböden bilden die innere Begrenzung der Zuströmungskammern 12 und :i3. Die zwischen den Rohren 9 frei bleibenden Zwickel 14 sind abgesperrt, so daß in ihnen keine Strömung -stät*ffiiridet.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in der Fib. 3 dargestellt, die Verbesserungen der zuerst besprochenen Ausführungsform nach verschiedenen Richtungen hin zeigt.
  • Der Grundaufbau ist wieder der gleiche. Es ist jeweils eine Mehrzahl dünner Rohre 3 von weiteren Rohren umgeben, wobei die Rohre 3 in Rohrböden q und-. 5, --die Rohre 9 in Rohrböden io und i i eingesetzt, etwa eingewalzt sind. Aber man sieht, daß bereits insofern ein wesentlicher Unterschied vorhanden ist, als ,die Zu- und Abströmung der diinnen Rohre in Richtung der Rohrachse liegt, die Strömungsumkehr um go°, die im Falle der Fig. i vorlag, also in Fortfall gekommen ist. Die Vermeidung starker Umlenkungen ist aber gleichbedeutend mit der Vermeidung schädlicher Wirbelverluste.
  • Es war bereits darauf hingewiesen, daß die Bereitstellung genügend- großer Querschnitte für die Ouereinströmung und Querabsträmung - des einen der" beiden in Wärmeaustausch tretenden Mittel eine bedeutungsvolle Aufgabe sei. Diese ist bei der Form nach Fig. 3 in' besonders vollkommener Weise durch die sehr großen Einströmungskammern 12- und 13 gelöst, in denen -sich die zunächst geschlossene, aus dem Eintrittsstutzen kommende Eintrittsströmung entsprechend ausbreiten bzw. der abfließende Strom sich stetig auf den Querschnitt des Austrittsstutzens zusammenschließen kann. Diese großen Kammern 12 und 13 urnschließen jetzt die Sammelkammern 15 und zt6, in welche die Rohre münden. Die Rohrbaden 4 und 5 hängen also gewissermaßen frei an -den Wänden der Kammern 15 und 16 und sind damit von allen Kräften entlastet, die sonst aus dem Zusammenbau der Rohrböden mit dem Außengehäuse entstehen können. Die Bauform bietet weiter den sehr großen Vorteil, daß man die Rohrböden 4, 5 abstützen `kann. Zu diesem Zweck sind Spannschrauben 17 und 18 vorgesehen, deren Führungsbuchsen von Rippen ig und 2o getragen werden. Die 'Unterstützunä der Rohrböden in ihrer Mitte verkleinert die entstehenden Durchbiegungen und damit die in ihnen entstehenden Spannungen ganz wesentlich.
  • Anordnungen, die in ihren einzelnen Zonen so stark verschiedenen Temperaturen ausgesetzt sind wie ein derartiger Wärmeaustauscher, unterliegen stärken Dehnungen, deren Beherrschung nicht immer einfach ist. Im vorliegenden Fall ergibt sich jedoch eine sehr befriedigende Lösung, daß in die Wandung 2 1 eine Dehnungswelle 22 eingeschaltet wird, die deshalb besonders wirksam ist, weil ihr Abstand von der Mittelachse des Wärmeau -tauschers, d. h. der Hebelarm, mit dem die dehnende Kraft angreift, sehr groß gemacht werden kann.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Wärmeaustauscher für Gasturbinenanlagen mit Längsströmung beider Arbeitsmittel und Ouerein- und -abströmung des einen der i)-eiden Arbeitsmittel, sowie mit teilweiser Absperrung des freien Längsquerschnittes zwischen den Rohren durch Einbauten, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Mehrzahl dünner Rohre (3) durch weitere Rohre (9) umgeben ist, die in Rohrböden (io, i i) eingewalzt sind, wobei diese Rohrböden die Ouerzu- und -abströmungskammern (i2, 13) nach innen begrenzen.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrböden, in welchen di; Innenrohre (3) eingesetzt sind, den Abschluß von Sammelkammern (i5, 1.6) bilden, deren Ein- und Ausströmung in Rohrrichtung liegen.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelkammern (i5, i6) innerhalb der Ein- bzw. Ausströmungskammern (i2, 13) allseitig vom wärmeabgebenden Mittel umströmt sind. q.. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die die Innenrohre (3) aufnehmenden Rohrböden (5, 6) gegen die Wandungen der Sammelkammern (i5, :i6) abgestützt sind. 5. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß von mindestens einer der beiden Ouerströmungskammern eine Wand elastisch mit dem Kammermantel verbunden ist. Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 258 30a.
DES9649D 1944-03-22 1944-03-22 Waermeaustauscher fuer Gasturbinenanlagen Expired DE880752C (de)

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